teoria i praktyka budowy nasypów z gruntu spoistego o zró...

7 Teoria i praktyka budowy nasypów z gruntu

spoistego o zró Ŝnicowanej plastyczno ści

Janusz Hauryłkiewicz Politechnika Koszalińska

Recenzent: Jerzy Przystański

Politechnika Poznańska

1. Wstęp

Wykonywanie nasypów z gruntów spoistych o małym stopniu plastycz-ności wymaga dostarczenia znacznie większej pracy w celu zagęszczenia grun-tu, niŜ w przypadku gruntów niespoistych. Na przykład, zagęszczenie wałowa-niem wymaga do 10-krotnego przejazdu wału po jednej warstwie 20÷40 cm grubości (por. [8]). Znaczna część pracy zuŜywana jest na rozdrabnianie brył gruntu twardego (w celu zlikwidowania kawern między bryłami) i na ponowne nadawanie gruntowi rozdrobnionemu duŜego zagęszczenia przy zmienionym kształcie (płaskiej warstwy). W niniejszej pracy przedkłada się propozycję wykonywania nasypu z gruntów spoistych dostarczanych w dwóch porcjach: porcji gruntu twardego, o małej plastyczności i porcji gruntu miękkiego o duŜej plastyczności (rys. 1), co pozwala na znaczące obniŜenie energii zagęszczania nasypu, czasu wznosze-nia i kosztu budowy. Grunt miękki wypełnia bowiem łatwo kawerny między bryłami gruntu twardego; unika się przez to zuŜycia energii na rozdrabnianie i ponowne zagęszczanie brył oraz skraca czas wykonywania nasypu, umoŜliwia-jąc dostateczne jego zagęszczenie na przykład juŜ po jednym przejeździe wału. Z biegiem czasu następuje wyrównanie wilgotności i plastyczności składników. W pracy przedstawiono teoretyczną analizę zagadnień wyznaczania stopnia plastyczności mieszanki, proporcji składników, sposobów ich wbudo-wywania, prognozy stateczności i odkształcalności nasypu oraz oszacowania oszczędności energetycznych (rozdziały 2÷8) a takŜe zreferowano rezultaty doświadczalnej weryfikacji niektórych wyników teoretycznych (rozdział 9). Wykorzystano przy tym fragmenty wcześniejszych prac autora na ten temat [1÷6] oraz niepublikowane wyniki pięciu prac dyplomowych [7]. Proponowana technologia moŜe okazać się szczególnie przydatna, gdy świeŜo wykonany nasyp nie będzie poddany znacznym obciąŜeniom po-

Janusz Hauryłkiewicz

Środkowo-Pomorskie Towarzystwo Naukowe Ochrony Środowiska 166

wierzchniowym na koronie, więc m.in. przy obwałowaniach takich obiektów, jak poldery, stawy, osadniki, odstojniki, wylewiska i wysypiska odpadów, a takŜe nasypy drogowe, jeśli ich nawierzchnię kłaść się będzie z dostateczną zwłoką po zakończeniu budowy nasypu.

2. Wyrównany stopień plastyczności nasypu

2.1. ZałoŜenia

Stopień plastyczności gruntu spoistego określony jest znanym wzorem (zob. [8]):

IL = w w

w wP

L P

−−

=w w

IP

P

−' (1)

gdzie: w - wilgotność naturalna gruntu, wP - granica plastyczności, wL - granica płynności, IP - wskaźnik plastyczności. Wyznaczenie stopnia plastyczności mieszanki róŜnych rodzajów grun-tów spoistych wymaga na ogół doświadczalnego zbadania zaleŜności granic konsystencji mieszanki od granic konsystencji składników, gdyŜ składniki mie-szanki mogą wchodzić w reakcje chemiczne zmieniające ich właściwości fi-zyczne. Dlatego do potrzeb niniejszej analizy teoretycznej zakłada się, Ŝe uŜy-wać się będzie gruntów spoistych w dwóch porcjach, reakcja chemiczna pomię-dzy którymi moŜe powodować jedynie zmiany sumarycznej ilości wody poro-wej składników: w jednej porcji grunt jest twardszy (stopień plastyczności ILt, mniejszy), w drugiej bardziej miękki (stopień plastyczności ILm, większy). O tych porcjach gruntu zakłada się, Ŝe znane są masy składników, twar-dego - mt i miękkiego - mm lub ich objętości Vt i Vm a takŜe znane są ich stopnie plastyczności ILt i ILm oraz granice konsystencji wPt, wPm, wLt i wLm . ZałoŜono, Ŝe masa wody w mieszance jest sumą mas wody mwt i mwm w składnikach i dodat-kowej masy wody mwd (dodatniej, na przykład w wypadku zwilŜania nasypu lub kondensacji pary wodnej w gruncie, lub ujemnej, na przykład w wypadku wy-sychania nasypu, lub o dowolnym znaku, jeśli jest skutkiem określonej reakcji chemicznej), przy czym ta ewentualna dodatkowa masa wody zmienia wilgot-ność gruntu, ale nie zmienia granic konsystencji gruntów składowych. ZałoŜono teŜ, Ŝe bilansują się masy szkieletu gruntowego składników i mieszanki.

Teoria i praktyka budowy nasypów z gruntu spoistego o zróŜnicowanej plastyczności


Rys. 1. Układanie warstw nasypu technologią HS

a - ułoŜenie pierwszej od dołu warstwy gruntu miękkiego (M1) na podłoŜu nasypu, b - rozrzucenie brył gruntu twardego po powierzchni warstwy gruntu miękkiego, c - wtłoczenie brył gruntu twardego w pierwszą warstwę podkładową z gruntu miękkiego, d - ułoŜenie drugiej warstwy gruntu miękkiego (M2), e - schemat migracji wody porowej na pewnym etapie budowy nasypu

Fig. 1. Embankment constructing order using HS technology Przy tych załoŜeniach, moŜna otrzymać wzór określający stopień pla-styczności mieszanki. Wykorzystać naleŜy w tym celu znane w geotechnice, w szczególności w gruntoznawstwie, związki między fizycznymi właściwo-

e

M2

M1 M1

M1 M1

c d

b a

kierunek migracji wody porowej

grunt twardy

grunt miękki

podłoŜe nasypu



ściami gruntu (gęstością szkieletu gruntowego ρs, gęstością objętościową gruntu ρ, gęstością objętościową szkieletu gruntowego ρd, gęstością wody ρw, wilgot-nością w) a masami i objętościami składników gruntu odpowiadającymi okre-ślonej objętości szkieletu gruntowego Vs : - masa szkieletu gruntowego ms = ρsVs (2) - masa wody mw = wρsVs (3) - masa gruntu m = (1+w) ρsVs (4) - objętość gruntu V = (1+w) ρsVs / ρ = ρsVs / ρd (5) - objętość porów Vp= (ρs/ρd - 1)Vs (6) - objętość wody Vw = wρsVs / ρw. (7) Podane wyŜej oznaczenia właściwości gruntu oraz mas i objętości składników zaopatruje się dodatkowo indeksami dolnymi: t - dla gruntu twardego, m - dla gruntu miękkiego. Wyznaczenie wyrównanego stopnia plastyczności mieszanki poprzedza się wyznaczeniem granic konsystencji mieszanki i wyznaczeniem wilgotności mieszanki.

2.2. Granice konsystencji mieszanki

Niech najpierw oba składniki mieszanki będą na granicy plastyczności, mając wilgotności wPt i wPm odpowiednio i niech w reakcji nie zmienia się suma wody składników. Wtedy masy wody w składnikach:

mwt = mst wPt, mwm = wPm, (8) masa wody w mieszance:

mw = mst wPt + msm wPm . (9) i wilgotność mieszanki, będąca równocześnie jej granicą plastyczności:

wP = m w m w

m mst Pt sm Pm

st sm

++

. (10)

PowyŜsze stwierdzenie, Ŝe wilgotność mieszanki jest jej granicą pla-

styczności ma następujące uzasadnienie: wałeczki ze składników mieszanki przy właściwych sobie granicach plastyczności pękają przy średnicy 3 mm, mieszanie nie powoduje zmiany masy wody w mieszance, zatem i wałeczki mieszanki będą pękać przy średnicy 3 mm, a to oznacza, Ŝe mieszanka jest na granicy plastyczno-ści. Tok rozumowania w przypadku granicy płynności jest analogiczny.



Tak więc granica konsystencji mieszanki jest średnią waŜoną granic konsystencji składników, a wagami są odpowiadające tym składnikom masy szkieletu gruntowego. Przechodząc do wyznaczenia wilgotności mieszanki do-puści się moŜliwość wprowadzenia do bilansu wody w mieszance dodatkowej masy wody mwd, o której zapowiedziano powyŜej, w p.2.1.

2.3. Wilgotność mieszanki

Ze wzoru (1) wynikają wyraŜenia określające wilgotności wprowadza-nych do mieszanki gruntów (twardego i miękkiego):

wt = ILt (wLt - wPt) + wPt, wm = ILm (wLm - wPm) + wPm . (11) Ze wzoru (4) wynikają objętości szkieletu gruntowego:

Vst = ( )m

wt

t st1+ ρ, Vsm = ( )

m

wm

m sm1+ ρ, (12)

ze wzorów (2) i (12) - masy szkieletu gruntowego:

mst = m

wt

t1+, msm =

mwm

m1+, (13)

ze wzorów (2), (3) i (10) - masy wody wprowadzanej wraz ze składnikami mie-szanki:

mwt = m

wt

t1+wt, mwm =

mwm

m1+wm . (14)

Końcowa wilgotność mieszanki w równa jest ilorazowi: suma mas wody ze wzoru (14) zwiększona o masę dodatkową mwd podzielona przez sumę mas szkieletu gruntowego ze wzoru (13). W tym miejscu dogodniejsze jest jednak posłuŜenie się w tej definicji wyraŜeniami (2), (3), z których wynika

w = m w m w m

m mst t sm m wd

st sm

+ ++

, (15)

skąd po wykorzystaniu związków (11) oraz po przekształceniach algebraicz-nych (zmierzających do zgrupowania w liczniku wzoru (15) w jednym członie wyraŜeń związanych z ILt i w drugim członie wyraŜeń związanych z ILm) z wy-



korzystaniem zaleŜności (10), otrzymuje się wyraŜenie określające wyrównaną wilgotność mieszanki:

w = wP + m I I m I I

m mm

m mst Pt Lt sm Pm Lm

st sm

wd

st sm

++

++

. (16)

2.4. Stopień plastyczności

Po podstawieniu wielkości w wg wzoru (16) do wzoru (1) i po wykona-niu przekształceń algebraicznych z wykorzystaniem wzoru (10) na granicę pla-styczności i analogicznego wyraŜenia na granicę płynności otrzymuje się nastę-pujący wzór określający stopień plastyczności mieszanki:

IL = m I I m I I

m I m Im

m I m Ist Pt Lt sm Pm Lm

st Pt sm Pm

wd

st Pt sm Pm

++

++

. (17)

Pierwszy składnik powyŜszej sumy przedstawia wyrównany stopień plastycz-ności mieszanki w wypadku gdy mwd = 0, tj. gdy bilans mas wody w mieszance i w jej składnikach zeruje się. Stopień plastyczności mieszanki jest wtedy śred-nią waŜoną stopni plastyczności składników, przy czym wagami są iloczyny mas szkieletu gruntowego i wskaźników plastyczności odpowiednich składni-ków. W szczególnym wypadku gdy wskaźniki plastyczności składników są sobie równe, tj. gdy:

IPt = IPm = IP, (18) wtedy

IL m I m I

m mm

m A fst Lt sm Lm

st sm

wd

s i

++

+ , (19)

gdzie: ms - masa szkieletu gruntowego w mieszance, A - aktywność koloidalna gruntu mieszanki, fi - zawartość frakcji iłowej w mieszance. Wzór (19) w wypadku mwd = 0 określa stopień plastyczności mieszanki jako średnią waŜoną stopni plastyczności składników, gdzie wagami są masy szkieletu gruntowego mst i msm.



PoniewaŜ gęstość objętościowa szkieletu gruntowego

ρd = ms / V, (20) więc stopień plastyczności mieszanki moŜna teŜ wyrazić w funkcji objętości składników:

IL = I V I V

V VLt dt t Lm dm m

dt t dm m

ρ ρρ ρ

++

+ m

m A fwd

s i

, (21)

gdzie: ρdt i ρdm - gęstości objętościowe szkieletu gruntu twardego i miękkiego odpowiednio.

3. Proporcje objętościowe składników

Proporcję objętościową wyznaczono z warunku wypełnienia gruntem miękkim kawern międzybryłowych w gruncie twardym rozgarniętym na nasypie. Objętość kawern w gruncie twardym zaleŜy od sposobu pobierania gruntu ze złoŜa, od sposobu transportu, od sposobu rozgarniania gruntu po nasypie. NaleŜy ją wy-znaczać w następującym, nieskomplikowanym doświadczeniu z wykorzystaniem technologii, która będzie zastosowana na budowie nasypu. NaleŜy wyznaczyć gęstość objętościową ρt gruntu twardego w złoŜu, na-stępnie naleŜy ze złoŜa pobrać grunt twardy (na przykład łyŜką koparki) i wyzna-czyć jego masę mt . Objętość pobraną tego gruntu naleŜy wyznaczyć ze wzoru:

Vt = mt / ρt (22) Grunt ten naleŜy rozgarnąć po nasypie w sposób przyjęty za standardowy i wy-znaczyć jego objętość Vr (razem z kawernami). Objętość kawern i równa jej z załoŜenia objętość gruntu miękkiego:

Vm = Vr - Vt . (23) Stosunek objętościowy wypełnienia miękkiego do sumarycznej objętości (bez kawern) twardych brył:

µ = Vm / Vt = (Vr / Vt) - 1 = s - 1, (24) gdzie: s - współczynnik spulchnienia gruntu twardego wskutek wydobycia go ze złoŜa

i rozgarnięcia po powierzchni nasypu w sposób przyjęty na danej budowie za standardowy.



Ze wzoru (21) dzieląc licznik i mianownik przez iloczyn ρdtV t i wyko-rzystując parametr µ ze wzoru (24) otrzymuje się:

IL = I I r

rLt Lm+

+µ

µ1 +

mm A f

wd

s i

, (25)

gdzie

r = ρdm / ρdt (26) Ze wzoru (25) przy załoŜeniu mwd = 0 otrzymuje się poszukiwaną proporcję objętościową gruntu miękkiego do gruntu twardego:

µ = 1r

I I

I IL Lt

Lm L

⋅ −−

. (27)

Parametr r zaleŜy od rodzaju gruntu, jego składu petrograficznego, zwłaszcza zawartości minerałów chłonących wodę (na przykład, montmorylonit) i od jego stanu. Przeciętne wartości ilorazu 1/r dla warunków polskich obliczone na pod-stawie tab. 2 w PN-81/B-03020 (przy załoŜeniu stanu twardoplastycznego dla gruntów twardych i stanu miękkoplastycznego dla gruntu miękkiego) podano na rys. 2 nawiązującym do trójkąta podziału gruntów spoistych wg PN-86/B-02480. Jak z rys. 2 wynika, wartości 1/r zmieniają się w dość wąskim zakresie ze średnią 1,25.

Rys. 2. Przeciętne wartości 1/r dla gruntów polskich Fig. 2. Average values of 1/r for soils of Poland

50 50

30 20

10

70 30

fI [%]

fP

fΠΠΠΠ

1,3 1,2 1,1

1/r = 1,4



4. Sposoby wbudowywania składników w nasyp

Realizacja proponowanej technologii moŜe być osiągnięta rozmaitymi sposobami, dostosowanymi do rodzajów uŜywanych gruntów spoistych, na przykład przez: • wtłaczanie brył gruntu twardego (o małej plastyczności) w podkładową war-

stwę gruntu miękkiego (o duŜej plastyczności), • mieszanie brył gruntu twardego z lepiszczem w postaci gruntu miękkiego, • iniekcję płynnej masy gruntu miękkiego w kawerny między bryłami gruntu

twardego, • ciśnieniowe lub bezciśnieniowe obrzucanie brył gruntu twardego masą

z gruntu miękkiego. W pierwszym z wymienionych sposobów, tj. przez wtłaczanie, kaŜdą z warstw nasypu moŜna formować albo najpierw rozgarniając bryły gruntu twardego a potem nakładając grunt miękki albo najpierw nakładając na podłoŜe porcję gruntu miękkiego, a potem rozgarniając na nim bryły gruntu twardego. Wariant drugi (rys. 1) jest lepszy z dwóch powodów: • zapobiega zamknięciu pęcherzy powietrznych między bryłami gruntu twardego, • zmniejsza przyczepność gruntu do narzędzia zagęszczającego.

NiezaleŜnie od sposobu wznoszenia nasypu przez nakładanie na prze-mian porcji gruntu twardego i gruntu miękkiego nasyp po zagęszczeniu nie wykazuje tekstury warstwowej.

5. Prognoza stateczności nasypu

Stopnie plastyczności gruntów składowych (ILt gruntu twardego oraz ILm

gruntu miękkiego) po wbudowaniu tych gruntów w nasyp zmieniają się z bie-giem czasu, wskutek oddawania wody porowej przez grunt miękki gruntowi twardemu, zmierzając do ustabilizowanej wartości IL, jak to ilustruje rys. 3. W czasie krótszym niŜ tk w nasypie nie ma gruntu o stopniu plastyczno-ści IL, lecz są dwa składniki o stopniach plastyczności dąŜących do tej wartości jako wyrównanej. Podobny, jak na rys. 3 charakter zmienności w czasie wyka-zują parametry wytrzymałościowe obu składników nasypu - kąt tarcia we-wnętrznego i spójność. Aczkolwiek stopniowi wyrównanemu IL odpowiadają końcowe ustalone (po wyrównaniu) wartości parametrów wytrzymałościowych, to jednak przed upływem czasu tk w nasypie utrzymuje się segregacja materiału: w masie gruntu miękkiego o niskich parametrach wytrzymałościowych spo-czywają stykające się ze sobą bryły gruntu twardego o parametrach wysokich. Segregacja ta nie wyznacza wszakŜe Ŝadnej regularnej tekstury nasypu, na przykład warstwowej.



Rys. 3. Przebieg zmienności stopnia plastyczności składników nasypu w czasie Fig. 3. Time - plasticity index relationship for two embankment components

Dlatego do oceny stateczności nasypu nie mogą być przyjęte parametry wytrzymałościowe średnie z gruntu twardego i z gruntu miękkiego (ani teŜ średnie waŜone). Utrata stateczności nasypu zbudowanego z brył twardego gruntu rozmieszczonych losowo w masie gruntu miękkiego następuje wskutek poślizgu po powierzchni przebiegającej tylko przez grunt miękki (lub wskutek deformacji ciągłej praktycznie tylko gruntu miękkiego). Z tego powodu, jeśli wymiary brył gruntu twardego są znacznie niŜszego rzędu (na przykład poniŜej 10%) niŜ wysokość nasypu, do obliczeń stateczności nasypu naleŜy przyjmo-wać parametry wytrzymałościowe jedynie gruntu miękkiego. Zmienność tych parametrów (ogólnie oznaczonych tu przez p) w czasie wyraŜona jest krzywą na rys. 4. Parametry tej krzywej naleŜy wyznaczać w razie potrzeby doświadczalnie. Proponuje się dane doświadczalne aproksy-mować funkcją wykładniczą:

p = pk - (pk - po) exp (-bt), (28) gdzie: po i pk - wartości parametru wytrzymałościowego (kąta tarcia wewnętrznego lub

spójności) odpowiednio gruntu miękkiego i gruntu z plastycznością wy-równaną do stopnia

IL, b - parametr tempa wzrostu wytrzymałości, zaleŜny m. in. od rodzaju i skła-du petrograficznego gruntu spoistego, jego stanów początkowych (w bryłach twardych i w masie miękkiej), proporcji składników, wielkości brył, gdyŜ głównie wymienione czynniki decydują o tempie wyrówny-wania potencjałów wilgotnościowych obu składników nasypu; większej

ILm

IL

ILt

IL

0 tk t

grunt miękki

grunt twardy



wartości parametru b odpowiada szybsze tempo zbliŜania się do warto-ści asymptotycznej. Konkurencyjną w stosunku do funkcji (28) pod względem siły korelacji moŜe okazać się funkcja logistyczna, ale tej kwestii tutaj się nie analizuje.

Rys. 4. Zmienność w czasie parametrów wytrzymałościowych gruntu miękkiego Fig. 4. Time - strength parameters relationship for soft soil Konsekwentnie z powyŜszymi stwierdzeniami końcowy przekrój po-przeczny nasypu naleŜy wyznaczyć na podstawie końcowych (wyrównanych) parametrów wytrzymałościowych pk, ale aktualną wysokość nasypu podczas jego wznoszenia i aktualne nachylenie skarpy naleŜy dostosowywać do aktual-nych wg rys. 4 parametrów wytrzymałościowych.

6. Prognoza odkształcenia nasypu

Końcowe odkształcenia nasypu od kształtu uzyskanego bezpośrednio po zakończeniu budowy wynikają głównie ze zmian objętości gruntu wbudo-wanego wskutek wyrównywania potencjałów wilgotnościowych obu składni-ków: bryły gruntu twardego spęcznieją a masa gruntu miękkiego skurczy się. W przybliŜeniu moŜna przyjąć, Ŝe w stadium końcowym grunt nasypu będzie wilgotnościowo jednorodny z wilgotnością końcową w według wzoru (16) odpowiadającą wyrównanemu stopniowi plastyczności IL według wzoru (17). Gdyby oba składniki nasypu były w pełni nasycone wodą, wtedy mi-gracja wody między składnikami nie powodowałaby zmiany objętości mieszan-ki. Zazwyczaj jednak grunty twarde mają pory tylko w części zajęte przez wodę (higroskopową i błonkową) i migracja wody z gruntu miękkiego do gruntu twardego moŜe naruszać zerowość bilansu skurczu i pęcznienia. Zmianę objęto-ści mieszanki spowodowaną przez wyrównanie wilgotności składników do wil-

pk

po

p

0 tk t

p = pk - (pk - po) exp (-bt)



gotności końcowej w oszacowano w niniejszej pracy teoretycznie, zakładając waŜność ustalonych w gruntoznawstwie związków (2) - (7) między masami i objętościami składników mieszanki i ich faz (tj. szkieletu gruntowego, wody porowej i powietrza porowego) oraz właściwościami fizycznymi gruntu. Grunt twardy o gęstości objętościowej szkieletu gruntowego ρdt mający początkowo (przy wbudowaniu w nasyp) objętość Vt, przechodząc w stan koń-cowy z gęstością objętościową szkieletu gruntowego ρdk pęcznieje, uzyskując objętość Vtk, przy czym zgodnie ze wzorem (5) wartość spęcznienia

VV

V Vtk

t

s stk

dk

s st

dt

= ρρ

ρρ

: . (29)

PoniewaŜ objętości szkieletu gruntowego w gruncie twardym nie ulegają zmia-nie przy zmianie wilgotności, tj. Vst = Vstk więc spęcznienie

Vtk / Vt = ρdt / ρdk (30) Vtk = Vt . ρdt / ρdk = r tVt, (31)

gdzie

r t = ρdt / ρdk (32) jest wskaźnikiem spęcznienia gruntu twardego. Analogicznie rozumując, otrzymuje się Ŝe grunt miękki przechodząc w stan końcowy zmienia gęstość objętościową swego szkieletu gruntowego z ρdm na ρdk, doznając skurczu z objętości początkowej Vm do objętości końcowej Vmk

Vmk = Vm ρdm / ρdk = rmVm, (33)

gdzie rm = ρdm / ρdk (34)

jest wskaźnikiem skurczu gruntu miękkiego. Wzory (32) i (34) określają teoretyczne wartości (odpowiednio) spęcz-nienia jednostki objętości gruntu twardego i skurczu jednostki objętości gruntu miękkiego wskutek międzyskładnikowej migracji wody porowej bez uwzględ-nienia wpływu dodatkowej masy wody mwd. Łączna objętość początkowa obu składników:

Vo = Vt + Vm (35)



oraz łączna ich objętość końcowa:

Vk = Vtk + Vmk = r tVt + rmVm . (36) Ze wzorów (35) i (36) wynika natychmiast wzór określający relację v między objętością końcową (po wyrównaniu wilgotności) mieszanki Vk a obję-tością początkową (bezpośrednio po zmieszaniu składników) Vo :

v =Vk / Vo =V r V r

V Vr rt t m m

t m

t m++

= ++

µµ1

(37)

gdzie: µ wg wzoru (24), r t i rm wg wzorów (32) i (34), Vm i Vt - objętości początkowe wbudowanych w nasyp składników, odpowied-

nio: miękkiego i twardego, ρdm, ρdt, ρdk - gęstości objętościowe szkieletu gruntowego odpowiednio: począt-

kowa w składniku miękkim, początkowa w składniku twardym i końcowa (po wyrównaniu wilgotności) w mieszance. Warto przypomnieć, Ŝe gęstości te, w ogólności ρd, zaleŜą od gęstości gruntu ρ i jego wilgotności w według wzoru:

ρd =ρ

1+ w. (38)

Wzór (37) wskazuje m.in. na zaleŜność zmiany objętości mieszanki od objętościowej relacji między składnikami miękkim i twardym, wyraŜonej para-metrem µ według wzoru (24). Łatwo sprawdzić, Ŝe zmiana objętości spowodo-wana migracją wody nie nastąpi (v = 1), gdy parametr µ będzie miał wartość µgr określoną wzorem:

µgr =r

rt

m

−−

11

. (39)

Relacja faktycznego stosunku µ objętości między składnikiem miękkim i twar-dym do wartości µgr wyznacza kierunek zmiany objętości nasypu po wykonaniu: - gdy µ < µgr, wtedy v > 1 i występuje pęcznienie nasypu, - gdy µ > µgr, wtedy v < 1 i zachodzi skurcz nasypu.



PoniewaŜ parametry r t i rm wyraŜają (odpowiednio) pęcznienie i skurcz, więc prawa część wzoru (37) wyraŜa fakt, Ŝe względna zmiana objętości v jest średnią waŜoną wskaźników pęcznienia i skurczu, przy czym wagami są po-czątkowe (wbudowywane) objętości gruntów składowych. Do orientacyjnych obliczeń zmian objętości v oraz wartości µgr moŜna przyjmować wartości rt i rm wg tab. 1, jako przeciętne dla czwartorzędowych gruntów spoistych Polski. Wartości te obliczono według wzorów (32) i (34) na podstawie tab. 2 w PN-81/B-03020 wstawiając ρdt jak dla gruntu twardoplastycz-nego, ρdm jak dla gruntu miękkoplastycznego oraz ρdk jak dla gruntu plastycznego.

grunt r t rm

mało spoisty 1,04 0,95 średnio spoisty 1,09 0,90 zwięzło spoisty 1,11 0,88 bardzo spoisty 1,14 0,85

Przedstawiona prognoza obejmuje deformacje powodowane między-składnikową migracją wody porowej w nasypie. Na to nakładać się mogą od-kształcenia związane z wymianą dodatkowej masy mwd wody między nasypem i otoczeniem (na przykład, zaleŜnie od pogody) oraz odkształcenia związane ze ściśliwością mechaniczną gruntów składowych. Te odkształcenia uwzględniać moŜna tak, jak w przypadku nasypów wykonywanych metodami tradycyjnymi.

7. Redukcja energii formowania nasypu

Oszacowania oszczędności energii potrzebnej do wykonania warstwy nasypu o grubości h dokonano obliczając orientacyjne wartości pracy wkładanej w wykonanie takiej warstwy w dwóch wariantach technologii: • warstwa wykonana technologią zgniatania gruntu twardego - praca Lt, • warstwa wykonana technologią wtłaczania - praca Lm. W wariancie pierwszym przyjęto, Ŝe warstwa o miąŜszości h powstaje przez zgniatanie długich beleczek gruntowych (zbudowanych z gruntu twarde-go) o szerokości B i wysokości 2h, rozmieszczonych w rozstawie osiowym 2B (rys. 5). W rezultacie zgniatania beleczki zmieniają wysokość na h szerokość zaś na 2B (pole pionowego przekroju poprzecznego beleczki pozostaje bez zmiany i równe 2Bh).



Rys. 5. Schemat formowania warstwy przez zgniatanie gruntu twardego (T),

a - stan początkowy, b - stan końcowy Fig. 5. Diagram of the layer formed by hard soil (T) squashing,

a – initial state, b - final state Rys. 6. Schemat formowania warstwy przez wtłaczanie brył gruntu twardego (T)

w podłoŜe z gruntu miękkiego (M); a - stan początkowy, b - stan końcowy

Fig. 6. Diagram of the layer formed by grouting hard soil lumps (T) into soft soil (M); a - initial state, b - final state

Potrzebne do takiego zgniatania napręŜenie przykładane do górnej po-wierzchni beleczek (jak w płaskim stanie odkształcenia) moŜna przyjąć za stałe w procesie zmniejszania się wysokości beleczek (jako napręŜenie zmieniające stan beleczki ze spręŜystego na plastyczny (wg hipotezy Coulomba - Mohra) i równe

qft qft qft

B B B B B

h

h

qft

2B 2B 2B

T T T T T T

b a

B B B B B

T M M M

b qf

T T

B B B B B

h

h/2 M

a qf

T

qf

T

qf

T



qft = 2 ct tg (45o + 0,5 Φt), (40) gdzie: ct i Φt - spójność i kąt tarcia wewnętrznego gruntu twardego. Siła przykładana

do zespołu n beleczek w miarę wzrostu powierzchni przekroju pozio-mego wzrasta liniowo od wartości nBqft (przy zerowym przemieszcze-niu płyty zgniatającej) do wartości n.2Bqft (przy przemieszczeniu mak-symalnym równym h). Ze względu na tę liniowość pracę tej siły moŜna obliczać posługując się jej wartością średnią.

Wtedy praca wykonana przy tej operacji zgniatania wynosi

Lt = 1,5 n B qft h . (41) W wariancie drugim przyjęto, Ŝe warstwa o miąŜszości h powstaje przez wtłoczenie w podłoŜe z gruntu miękkiego długich beleczek (wykonanych z gruntu twardego) o szerokości B i wysokości h rozmieszczonych w rozstawie osiowym 2B (rys. 6). MiąŜszość wstępnie rozesłanej warstwy gruntu miękkiego powinna zapewnić wypełnienie przerw między beleczkami, gdy zostaną one wtłoczone aŜ do podłoŜa warstwy miękkiej. Łatwo sprawdzić, Ŝe ze zrównania objętości gruntu miękkiego przed i po wtłoczeniu wynika potrzebna miąŜszość podściełanej warstwy równa 0,5h. NapręŜenie wtłaczające qfm przykładane do górnej powierzchni beleczek rośnie od wartości cmNCm (przy przemieszczeniu zerowym płyty wtłaczającej i zerowym zagłębieniu z podstaw beleczek poniŜej powierzchni gruntu mięk-kiego) do wartości cmNCm + γzNDm przy zagłębieniu z, więc wzrost jego jest li-niowy ze względu na zagłębienie z i moŜna w obliczeniu pracy posłuŜyć się wartością średnią tego napręŜenia równą

qfm s = cm NCm + 0,5.γm h NDm, (42) gdzie: cm i γm - spójność i cięŜar objętościowy gruntu miękkiego, NCm i NDm - czynniki nośności podłoŜa wg PN-81/B- 03020. Siła przykładana do

zespołu n beleczek wtłaczanych teŜ rośnie, a jej wartość średnia wynosi nBqfm s. Przemieszczenie maksymalne płyty wtłaczającej równe jest miąŜszości warstewki miękkiej, tj. 0,5h. Stąd praca wy-konana według technologii wtłaczania przy uformowaniu warstwy o miąŜszości h wynosi:

Lm = 0,5h n B qfm s = 0,5 n B h (cm NCm + 0,5.γm h NDm). (43)



redukcja energii, h=0,2 m, ILt =0,0 - 0,4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ILm

l

0,00,10,20,3

0,4

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

ILm

l

redukcja energii, h=1,0m, ILt =0,0 - 0,4

0,00,10,20,3

0,4

Rys. 7. Redukcja energii formowania nasypu Fig. 7. Embankment forming energy reduction

Stosunek l prac Lt i Lm określa teoretyczną redukcję energii formowania warstwy związaną z zastąpieniem technologii zgniatania przez technologię wtłaczania. Zgodnie ze wzorami (41) i (43):



l = Lm / Lt = q

qfm s

ft3 =

c N hN

c

m Cm m Dm

tt

+

+

0 5

64 2

, γπ

tgΦ

. (44)

Redukcja energii zaleŜy od nośności słabego podłoŜa i od wytrzymałości na ściskanie brył gruntu twardego, a w konsekwencji od parametrów wytrzymało-ściowych obu składników i od cięŜaru objętościowego składnika miękkiego. W celu oszacowania liczbowej wartości redukcji energii wykonano obliczenia dla dość często spotykanego w Polsce gruntu spoistego w typie gene-tycznym B według PN-81/B-03020 (grunt morenowy nieskonsolidowany lub inny grunt spoisty skonsolidowany). Wykorzystując podane w przywołanej normie tabelaryczne i graficzne zaleŜności między parametrami gruntu spoiste-go i jego stopniem plastyczności otrzymano następujące równania regresji:

Φ = 22 - 18,7 IL

c = 40 - 33,3 IL

γ = 22 - 4 IL

Przyjęto takŜe:

ND = eπ tg Φ tg 2 (45o + 0,5 Φ)

NC = (ND - 1) ctg Φ

Wykorzystanie powyŜszych wyraŜeń pozwala na wyraŜenie ze wzoru (44) redukcji energii jako funkcji trzech zmiennych: stopnia plastyczności ILm gruntu miękkiego, stopnia plastyczności ILt gruntu twardego i miąŜszości h war-stwy gruntu. Wyniki obliczeń redukcji energii l dla dwóch wartości miąŜszości warstwy h (0,2 m i 1,0 m) pokazano na rys. 7. Oczywiście, oszczędności wystę-pują przy l < 1. Jak z tych wykresów wynika, miąŜszość warstwy formowanej nie wpływa na redukcję energii w sposób znaczący a przy duŜych stopniach plastyczności gruntu miękkiego technologia HS wymaga energii zagęszczania stanowiącej zaledwie około 20% energii potrzebnej w technologii zgniatania.

8. Przykład

Do budowy nasypu technologią wtłaczania wykorzystuje się glinę piasz-czystą typu B wg PN-81/B-03020 w dwóch porcjach: jedna twarda, o ILt = 0,1, druga miękka - o ILm = 0,7. Zamierza się uzyskać następujące parametry wytrzy-małościowe nasypu po ustabilizowaniu migracji wody porowej:



- kąt tarcia wewnętrznego 17o, - spójność 30 kPa.

Zakłada się, Ŝe masa wody w mieszance będzie równa sumie mas wody porowej w składnikach. Poszukuje się proporcji składników, stopnia potrzebnego spulchnienia gruntu twardego przy rozgarnianiu po nasypie, oszacowania odkształcenia na-sypu wskutek wyrównania wilgotności oraz oszacowania stopnia redukcji ener-gii formowania nasypu w zaleŜności od miąŜszości formowanej warstwy.

8.1. Proporcja składników

Wartości parametrów wytrzymałościowych odpowiadają stopniowi plastyczności mieszanki IL = 0,25. Według Rys. 2 glinie piaszczystej odpowiada 1/r = 1,2 . Ze wzoru (27):

µ = 1,2 . (0,25 - 0,1) / (0,7 - 0,25) = 0,4. Zgodnie ze wzorem (24) oznacza to, Ŝe w mieszance ma być gruntu miękkiego 40% w stosunku objętościowym do gruntu twardego, lub inaczej, Ŝe w mie-szance ma być początkowo 29% gruntu miękkiego o stopniu plastyczności 0,7 i 71% gruntu twardego o stopniu plastyczności 0,1. 8.2. Stopień spulchnienia Zgodnie ze wzorem (17) grunt twardy naleŜy rozgarnąć do stopnia spulchnienia s = µ + 1 = 1,4. 8.3. Odkształcenie nasypu Orientacyjnie moŜna przewidywać zmianę objętości powodowaną wy-mianą wody porowej wg wzoru (37):

v = (1,09 + 0,9 . 0,4) / (1 + 0,4) = 1,04 .

Oznacza to, Ŝe objętość nasypu wzrośnie o 4% objętości początkowej w rezultacie przewagi pęcznienia gruntu twardego nad skurczem gruntu miękkiego. Zmiany objętościowe nie zaszłyby, gdyby µ miało wartość wg wzoru (39):

µgr = (1,09 - 1) / (1 - 0,90) = 0,90, tzn. gdyby gruntu miękkiego wbudowano w ilości objętościowej 90% gruntu twardego. Oczywiście taka zmiana proporcji objętościowej składników nieko-



rzystnie zmieni parametry wytrzymałościowe mieszanki i przy danym tempie budowy obniŜy bezpieczeństwo budowli ziemnej.

8.4. Redukcja energii

Parametry gruntów potrzebne do skorzystania ze wzorów (40) - (44) są następujące: • dla gruntu twardego wg PN-81/B-03020: Φt = 20o, ct = 36 kPa, • dla gruntu miękkiego zmienione niekorzystnie wskutek rozdrabniania:

Φm = 6o, cm = 5 kPa, γm = 20 kN/m3, N Cm = 6,81, N Dm = 1,72

Ze wzorów (40) i (42):

qft = 2 . 36 . tg(45o + 0,5 . 20o) = 102,8, kPa, qfm s = 5 . 6,81 +0,5 . 20 . 1,72 . h = 34,05 + 17,2 . h, kPa.

Ze wzoru (44): l = (34,05 + 17,2 h) / (3 . 102,8) = 0,11 + 0,056 h.

ZaleŜność stopnia redukcji energii l od miąŜszości h formowanej warstwy jest liniowo rosnąca. Wynika z niej, Ŝe dla miąŜszości h zawierających się w przedziale 0÷2 m redukcja energii wzrasta od 11% do 22%, tj. zastępując tech-nologię zgniatania technologią wtłaczania uzyskuje się oszczędność energii od 89% przy b. cienkiej warstwie do 78% przy warstwie o dwumetrowej grubości.

9. Weryfikacja doświadczalna wyników teoretycznych

Obecnie zakończono pierwszą serię badań laboratoryjnych weryfikują-cych i precyzujących przewidywania teorii. Badania te dotyczyły dwóch zagad-nień: • redukcji energii formowania nasypu w porównaniu z technologią konwen-

cjonalną, • tempa wyrównywania wilgotności i plastyczności między twardym i mięk-

kim składnikiem mieszanki gruntu spoistego tego samego rodzaju.

9.1. Redukcja energii

Badaniom poddano morenową brązową glinę zwięzłą piaszczystą z ostatniego zlodowacenia z rejonu koszalińskiego. Z gliny tej przygotowywano próbki o róŜnej wilgotności i plastyczności od stanu półzwartego do płynnego, ale ze względu na potrzebę uzyskania wyników w bardzo krótkim czasie stan



gruntu określano makroskopowo za pomocą liczby wałeczkowań zgodnie z PN-86/B-04481. W celu określenia pracy potrzebnej do uformowania warstwy gruntu o miąŜszości h w technologii konwencjonalnej, tj. przez zgniatanie gruntu twar-dego za pomocą maszyny zagęszczającej, formowano w laboratorium beleczki o szerokości 1 cm i wysokości 2h z gruntu w stanie półzwartym, twardopla-stycznym i plastycznym i poddawano je szybkiemu zgniataniu (z prędkością ok. 1 mm/s) do momentu osiągnięcia przez nie połowy pierwotnej wysokości. Pracę zgniatania Lg obliczano jako iloczyn średniej wartości Pg siły zgniatającej i drogi h tłoka zgniatającego. W celu określenia pracy potrzebnej do uformowania warstwy gruntu o miąŜszości h w technologii H-S, tj. przez wtłaczanie, z gruntu w stanie pla-stycznym, miękkoplastycznym i płynnym formowano w małym pojemniku warstwy podłoŜa o miąŜszości 0,5 h i wtłaczano w kaŜdą z takich warstw (z prędkością ok. 1 mm/s) beleczkę drewnianą o szerokości 1 cm aŜ do spągu war-stwy, notując podnoszenie się powierzchni gruntu przy beleczce aŜ do osiągnię-cia przez tę warstwę miąŜszości h. Pracę wtłaczania Lt obliczano jako iloczyn średniej wartości Pt siły wtłaczającej i drogi 0.5 h tłoka wtłaczającego. Rys. 8. Redukcja energii doświadczalna (linia ciągła) na tle redukcji teoretycznej (linia

kreskowa) dla dwóch stopni plastyczności ILt gruntu wtłaczanego Fig. 8. Experimental (full line) and theoretical (dashed line) energy reduction for two

values of the grouted soil liquidity index ILt Redukcję energii l zdefiniowano jako stosunek pracy wtłaczania do pracy zgniatania. rys. 8 ilustruje porównanie teoretycznych (por. rozdział 7) i doświadczalnych wartości redukcji l w zaleŜności od stopnia plastyczności ILm gruntu (miękkiego) warstwy podkładowej dla dwóch wartości (0,0 i 0,4) stopnia plastyczności ILt gruntu wtłaczanego (twardego). Doświadczenie potwierdza

1,0

1,0

ILt = 0,4

ILt = 0,0

ILm

0,5

0,5 0

l



wyniki analizy teoretycznej pod względem jakościowym, ale wykazuje znacz-nie silniejszą redukcję (mniejsze wartości l).

9.2. Tempo homogenizacji wilgotnościowej

Ten aspekt proponowanej technologii H-S zlecono do zbadania laborato-ryjnego w ramach prac dyplomowych [7]. Badaniom poddano róŜne gliny z ostatniego zlodowacenia z rejonu koszalińskiego. Z gliny przygotowywano próbki o róŜnej wilgotności i plastyczności od stanu półzwartego do płynnego, dąŜąc do otrzymania wilgotności w równomiernie rozrzuconych w przedziale od granicy plastyczności wP do granicy płynności wL . Posługiwano się wyraŜeniem

w = wP + k (wL - wP), (45) w którym współczynnikowi k (ma on sens stopnia plastyczności) nadawano wartości 0, 0,1, 0,25, 0,4, 0,6, 0,9 i 1. Aktualna wilgotność gruntu i obliczona wzorem (45) pozwalały na obliczenie ilości wody, którą trzeba było dodać lub usunąć z gruntu, aby otrzymać grunt o wilgotności odpowiadającej przyjętej wartości współczynnika k. Po dodaniu tej ilości wody i po wymieszaniu badano wilgotność mieszaniny w celu sprecyzowania rzeczywistej wartości tego współ-czynnika. Przygotowane w ten sposób próbki gruntu łączono parami w rozmaite kombinacje wartości współczynnika k a następnie umieszczano w jednym po-jemniku cylindrycznym (por. rys. 9) o wysokości ok. 5,0 cm próbkę gruntu miękkiego (o duŜej wilgotności) zetkniętą z próbką gruntu twardego (o wilgot-ności mniejszej). Dla kaŜdej kombinacji gruntu twardego i miękkiego przygo-towywano trzy egzemplarze takiego samego zestawu przeznaczone do otwarcia i zbadania wilgotności po róŜnych okresach czasu stykania się gruntów w szczelnym pojemniku.

Rys. 9. Miejsca poboru próbek gruntu z pojemnika Fig. 9. Places of soil sampling from the container

Grunt miękki

Grunt twardy

2,0 cm 1,2

0,4



Pojemniki z gruntami przechowywano w warunkach ograniczających do minimum wymianę wody porowej z otoczeniem, a następnie otwierano w około miesięcznych odstępach czasu i poddawano badaniom wilgotności gruntu w sześciu miejscach, po trzy miejsca w kaŜdej połówce zestawu. Miejsca te lokalizowano w osiowej strefie próbki w odległości 0,4, 1,2 i 2,0 cm od płaszczyzny kontaktu obu gruntów (rys. 9). Pomiary wilgotności pozwoliły na skonstruowanie wykresów zmiany wilgotności w wymienionych odległościach od płaszczyzny kontaktu wraz z upływem czasu. NiezaleŜnie od początkowych róŜnic wilgotności ∆wo między miękkim i twardym składnikiem zestawu gruntów w pojemniku wszystkie wy-kresy miały ten sam charakter wg rys. 10. Rys. 10. ZaleŜność wilgotności od czasu i od odległości od płaszczyzny kontaktu gruntu

miękkiego (nad asymptotą) z gruntem twardym (pod asymptotą) Fig. 10. Interrelation between moisture and time and the distance from the contact plane

of the soft soil (above the asymptote) and the hard soil (under the asymptote)

Na wykresach typu rys. 10 moŜna było odnaleŜć czas t50 50-procentowej homogenizacji wilgotnościowej (tj. czas, w ciągu którego róŜnica wilgotności między gruntem miękkim i twardym zmniejszy się do 50% początkowej róŜnicy ∆wo wilgotności między tymi gruntami) z reguły tylko dla próbek pobieranych z miejsc najbliŜszych płaszczyźnie kontaktu (oddalonych od niej o 0,4 cm). Dla próbek bardziej odległych od płaszczyzny kontaktu czas przeznaczony na badania nie wystarczył do spadku początkowej róŜnicy wilgotności o 50%. JednakŜe dla próbek najbliŜszych płaszczyźnie kontaktu na podstawie wyników badań zmian wilgotności w czasie dla sześciu kombinacji wilgotności początkowej gruntu miękkiego i twardego moŜna było ustalić korelację i regre-sję między początkową róŜnicą stopnia plastyczności ∆IL0 (łatwo obliczyć na

t [dni]

90 60 30 0

w

0,5∆wo ∆wo

t50

wilgotność w punkcie oddalonym od płaszczyzny kontaktu o : 2 cm 1,2 cm 0,4 cm

0,4 cm 1,2 cm 2 cm

asymptota



podstawie wartości ∆wo) i czasem t50. Związki między tymi wielkościami otrzymane dla czterech rodzajów gruntu spoistego przedstawia rys. 11, nato-miast przykładowy (dla gruntu nr 1) wykres związku czasu t50 i róŜnicy wilgot-ności ∆wo przedstawia rys. 12.

Rys. 11. Czas 50% homogenizacji w funkcji początkowej róŜnicy stopnia plastyczności Fig. 11. Initial liquidity index difference – 50% homogeneity time relationship

Rys. 12. Związek między ∆wo i czasem t50 dla gruntu nr 1 (punkty - dane doświad-czalne, linia gruba - wykres regresji)

Fig. 12. Interrelation between ∆wo and time t50 for soil No 1 (dots - experimental data, thick line - regression graph)

t50 [dni

∆∆∆∆wo

10 15

50

5 0

t50 = 6,32 ∆wo +10,4

t50 [d]

1

2

3

4 ∆∆∆∆ IL0

150

100

50

0 0,5 1,0 1,5

lp. Ip. fi A r P 1 13,2 15 0,88 0,73 81 2 12,0 15 0,80 -0,98 98 3 14,7 11 1,33 -0,49 61 4 9,55 12 0,80 -0,67 78



W tabelce na rys. 11 podano parametry badanych gruntów: Ip – wskaź-nik plastyczności, fi – zawartość frakcji iłowej, A – aktywność koloidalna, r – współczynnik korelacji, P – poziom istotności współczynnika r (%) dla czterech róŜnych rodzajów gruntu spoistego wg [7].

Tylko dla gruntu nr 1 korelacja jest dodatnia (ze współczynnikiem r2 = 0,52), dla pozostałych gruntów otrzymano korelację ujemną. Oznacza to, Ŝe zostało w sposób doświadczalny ustalone, iŜ czas 50-procentowej homogeniza-cji wilgotnościowej dla większości zbadanych gruntów skraca się wraz ze wzro-stem róŜnicy wilgotności między stykającymi się składnikami gruntu, przy czym stopień pewności tego ustalenia jest statystycznie dość mocny. Niestety, nie udało się dotychczas wyjaśnić przyczyn radykalnie odmiennych typów ko-relacji w zbiorze gruntów o nie tak bardzo róŜniących się parametrach (przed-stawionych w tabelce na rys. 11).

10. Podsumowanie

1. Proponowana technologia H-S (hard-soft) stwarza realne moŜliwości znacznego obniŜenia kosztów wykonywania nasypów, ale w odniesieniu do konkretnego gruntu wymaga przeprowadzenia odpowiednich badań, przy-najmniej w laboratorium. Analiza teoretyczna wykazuje moŜliwość znaczą-cego obniŜenia energii zagęszczania nasypu z gruntu spoistego przez odpo-wiednie przekładanie porcji gruntu o małej plastyczności porcjami o duŜej plastyczności. Redukcja energii wynikająca z zastąpienia technologii zgnia-tania technologią wtłaczania wyznaczona w warunkach laboratoryjnych po-twierdza przewidywania teoretyczne pod względem jakościowym, ale oka-zuje się znacznie większa pod względem ilościowym.

2. Harmonogram wznoszenia nasypu powinien uwzględniać czas potrzebny na wyrównanie wilgotności lub plastyczności pomiędzy gruntami składowymi, tak aby wytrzymałość wyrównana zapewniała stateczność nasypu. Wyrów-nywanie wilgotności i plastyczności między składnikami nasypu zachodzi zbyt wolno z punktu widzenia potrzeb wykonawstwa nasypów, które mają być szybko oddane do eksploatacji, NaleŜy przypuszczać, Ŝe ten proces homogenizacji przebiega szybciej w gruntach małospoistych, ale wymaga to potwierdzenia doświadczalnego. W obecnym stanie danych doświad-czalnych naleŜy ograniczyć stosowanie technologii H-S do nasypów, które nie będą musiały przenosić duŜego obciąŜenia wkrótce po wykonaniu.

3. Stateczność nasypu naleŜy oceniać na podstawie obliczeń opartych nie na wartościach średnich parametrów wytrzymałościowych gruntu twardego i gruntu miękkiego, ale na wartościach parametrów wytrzymałościowych gruntu miękkiego rosnących w miarę upływu czasu od wbudowania tego gruntu w nasyp.



4. Z ustalonych doświadczalnie redukcji energii i regresji czasu 50-procentowej homogenizacji z początkową róŜnicą wilgotności składników nasypu wynika, Ŝe jeśli celem będzie znaczna redukcja energii, to zapłacić za to trzeba będzie dłuŜszym czasem wyrównywania plastyczności (i wy-trzymałości) składników.

5. Wartości parametrów geotechnicznych odnoszących się do konkretnych gruntów, m.in. wykorzystane w przykładzie obliczeniowym ilustrującym wywody teoretyczne, przyjmowane były według PN-81/B-03020. W przy-padku realizacji nasypu według proponowanej technologii parametry wyko-rzystywanych gruntów naleŜy wyznaczać doświadczalnie, najlepiej w od-powiednim laboratorium polowym.

6. Poza analizą pozostały takie waŜne elementy projektowania, jak grubość poszczególnych warstw, czas wyrównywania potencjałów wilgotnościo-wych, sposób uwzględniania prognozowanego na okres budowy stanu po-gody, rodzaj maszyny zagęszczającej, ilość przejazdów, dostosowanie przekroju poprzecznego nasypu do tempa budowy, organizacja magazynu gruntu miękkiego (ewentualnie gruntu twardego, jeśli na miejscu jest mięk-ki), zagadnienia kosztów.

7. Proponowana technologia wydaje się racjonalna w takich warunkach, w których świeŜo wznoszony nasyp nie będzie poddany znaczącemu obcią-Ŝeniu powierzchniowemu na swej koronie lub znaczącym oddziaływaniom dynamicznym, więc m.in. w warunkach pracy wałów przeciwpowodzio-wych, wałów ograniczających kwatery na polderach, wylewiskach, składo-wiskach odpadów a takŜe w warunkach pracy dróg przekazywanych do po-łoŜenia nawierzchni w odpowiednio długim okresie czasu od wykonania nasypu.

Literatura

1. Hauryłkiewicz J.: Hard - soft technology of cohesive soil embankments. Proc. of the Semin. on Problems of Environ. Geoeng., Szczecin, maj 1997, p.79-82.

2. Hauryłkiewicz J.: Nasypy z gruntu spoistego o zróŜnicowanej plastyczności; nie-które elementy projektowania. Mat. V Międzynarod. Konf. N.-T. „Gospodarka Od-padami Komunalnymi”, Kołobrzeg, czerwiec 1997, s. 369-374.

3. Hauryłkiewicz J.: Elementy prognozy stateczności i odkształcenia nasypów z gruntu spoistego o zróŜnicowanej plastyczności. Mat. III Ogólnopols. Konf. Na-uk. „Kompleksowe i szczegółowe problemy inŜynierii środowiska”, Ustronie Mor-skie, czerwiec 1997, s.131-136.

4. Hauryłkiewicz J.: Nasypy z gruntu spoistego o zróŜnicowanej plastyczności; re-dukcja energii zagęszczania. Mat. 44 Konf. KILiW PAN i KN PZITB, Krynica, wrzesień 1998, t. VII, s. 161-167.



5. Hauryłkiewicz J.: Energia zagęszczania nasypów z gruntu spoistego o zróŜnico-wanej plastyczności; doświadczalna weryfikacja teorii. Mat. I Międzynarod. Konf. Nauk. „Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym”, Poznań, wrzesień 1998, s. 312-317.

6. Hauryłkiewicz J.: Technologia H-S wykonywania nasypów w świetle wstępnych doświadczeń. Mat. IV Ogólnopols. Konf. Nauk. „Kompleksowe i szczegółowe problemy inŜynierii środowiska” Ustronie Morskie, maj 1999, s.439-447.

7. Kozieja W., Łodziewska B., Piskulska R., Wasilewski M., Wróbel A.: Techno-logia wykonywania nasypów z gruntu spoistego o zróŜnicowanej wilgotności. Ba-dania laboratoryjne migracji wody porowej między składnikami glin. magisterskie prace dyplomowe, Koszalin, 1998 (arch. Katedry Geotechniki Politechniki Kosza-lińskiej)

8. Wiłun Z.: Zarys geotechniki. WK i Ł, Warszawa, 1987.

Theory and Practice of Embankments Building from Cohesive Soil of Different Plasticity

Abstract

Cohesive soil is not a convenient material for embankments constructing because of high compacting energy required, especially - as it usually happens - when soil is in a state of low plasticity. Big lumps of hard cohesive soil are then given onto the constructing place. The first portion of energy is traditionally needed for crushing the lumps because of their inadequate shapes and of great caverns between the lumps. The second portion of energy is used in the course of compaction for getting adequate shape of even layer and for removing the cav-erns. Such technology is called here the crush - compact (CC) technology. The paper presents possibilities of new technology implementation. This technology is called here hard - soft (H-S) technology. This way of embankment constructing consists of incorporating two kinds of cohesive soil alternately: the layer of soft soil (i.e. soil of high plastic-ity) is put first and lumps of the hard soil (i.e. soil of low plasticity) are then placed on the soft layer and grouted into it with appropriate machines. The soft soil fills the caves between hard lumps and no energy is required for crushing the lumps and for forming hard layer later. Only one pass of the compacting machine is usually needed. Thus energy and embankment constructing time are essentially reduced. In the course of time the components become of more and more even plasticity.



Five design topics appear connected with this technology, however: 1o stabilised plasticity of the mixture, 2o volumetric relations between hard and soft parts of the soil, 3o forecast of stability, 4o forecast of deformation, 5o evaluation of the energy reduction. These topics have been theoretically solved and referred here. 1o One can determine stabilised plasticity of the mixture by means of

the liquidity index IL of the mixture that appears to be weighed aver-age of components liquidity indices where masses of the soil skele-ton in hard soil and in soft soil respectively are the weights.

2o Volumetric relation between soft (Vs) and hard (Vh) parts of the soil should ensure the caves between hard lumps be filled with soft soil. One can find that from this point of view, if we define Vs/Vh = µ and ρds/ ρdh = r then mentioned above volumetric relation

µ = 1

r

I I

I IL Lh

Ls L

⋅ −−

, where: ρds, ρdh - dry density (skeleton volumetric

density) of soft soil and of hard soil respectively, ILs, ILh - their li-quidity indices. For most common cohesive soils in Poland the quan-tity 1/r may be taken according to plasticity index IP in form 1/r = IP + 1, so it ranges between approximately 1.0 and 1.5.

3o Forecast of embankment stability should base on strength parameters of soft soil, but should take into account increase of these parameters values p (the angle of internal friction, cohesion) in course of time from values ps corresponding to ILs (liquidity index of the soft soil) to values pm corresponding to IL (liquidity index of the mixture of the hard and soft soils). The formula of increasing the strength parame-ter p may be proposed as follows p = pm - (pm - ps) exp (-bt), where: t - time, b - rate parameter, experimentally determined.

4o Forecast of embankment deformation should take into account some different sources of the deformation: overburden pressure, surface load and so on, deformations from these sources can be assessed in usual way, but pore water migration may essentially affect the em-bankment deformation as well. When pore water migrates from soft part into embankment incorporated soil to the hard part, both parts change their volumes: shrinkage appears in the soft soil and swelling in the hard one. These changes superimpose on each other and the resulting change can be defined as v=(Vs + Vh)/Vm, where: Vs, Vh, Vm are: original volume of the soft component, original volume of the hard component, final volume of the mixture, respectively. One can prove that v may be determined as follows: v=(rh+r sµ)/(1+µ), rh =



ρdh/ρdm (rh>1), rs=ρds/ρdm (rs<1) where: µ - volume relation pointed above at 2o, ρds, ρdh, ρdm - dry density of soft soil, of hard soil and of the mixture respectively. The quantities rh and rs determine also the rate of swelling and rate of shrinkage respectively. It can be also proved that by pore water migration affected volume change does not appear if µ takes the critical value µcr= (rh-1)/(1-rs) . Hence, if µ<µcr, then v>1 and embankment swelling appears, if µ>µcr, then v<1 and shrinkage appears.

Following values of rh and of rs for approximate calculations may be as-sumed:

Plasticity index IP rh rs

0.02 – 0.1 1.04 0.95 0.1 – 0.2 1.09 0.90 0.2 – 0.3 1.11 0.88 > 0.3 1.14 0.85

5o Energy reduction results mainly from excluding crushing and com-

pacting of hard soil lumps. It may be defined as l = LHS / LCC, where: LHS, LCC - work needed for constructing certain embankment layer using hard - soft technology and using crush - compact technology respectively. The value of quantity l ranges from about 0.08 to 1.00 dependent on the relation between shear strength of the soft and of the hard part of incorporated soil. The lower is the soft soil strength compared with strength of the hard soil the less is the power con-sumption needed for embankment construction. For example, when hard and soft parts of soil have liquidity index of 0.1 and 0.7 respec-tively, and thickness of formed layer is of 2.0 m, then l equals to 0.22. Thus HS technology in this case needs energy only of 22% of the energy required with CC technology.

Experimental confirmation and specification have been achieved re-garding energy reduction (Fig. 8) and plasticity evening rate (Figs. 10, 11, 12). HS technology will be useful especially when embankment is not con-siderable statically or dynamically loaded just after its construction.

teoria i praktyka budowy nasypów z gruntu spoistego o zró...

Documents